驅動IC如何讓大型有刷電機運作起來

盡管無刷直流電機具有高效率和高扭矩，但大型有刷電機和伺服系統在許多工業應用中仍然非常普遍。這主要是因為有刷電機更易于控制，通常購買更便宜，因此驅動它們的需求不會消失。小型有刷電機驅動IC集成電路不會將其用于需要高電壓，水光或兩者的大型工業電機或伺服器。因此，有必要從分立元件構建H橋。這不應被視為一項艱巨的任務，因為它不是一個非常復雜的原理圖;它歸結為4個FET，帶有保護二極管，一組柵極驅動IC和一個控制IC，可確保您不會短路。如果您愿意，甚至可以在單個封裝中找到柵極驅動IC和控制IC。

 

建造H橋

這是典型的H橋設計，沒有柵極驅動IC。您有兩種選擇來構建電橋，一種是將 P 溝道 MOSFET 用于高端，將 N 溝道用于低端，要么在周圍使用 N 溝道。我相信您知道，P溝道MOSFET的RDS（on）（內阻）明顯高于N溝道MOSFET，這在傳導高電流時從電阻中耗散的功率產生更多的熱量。然而，P溝道FET對于高端使用非常方便，因為N溝道FET僅在柵極具有高于所施加的源電壓時才會導電。這就是柵極驅動IC的用武之地，因為它們能夠通過充分提高輸入電壓來驅動N溝道FET的柵極，從而降低成本和電路板上的熱負載。

 

柵極驅動IC的另一個優點是能夠將更多的電流移動到MOSFET的柵極中，并快速從中排出比典型微控制器引腳更多的電荷。如果您只是使用H橋在任一方向上打開電機，這對您都沒有太大的好處。但是，如果您使用高頻PWM來改變電機的速度，或者構建伺服器，這種驅動大量電流進出FET柵極的能力可以讓您構建一個非常高性能的解決方案。

 

由于N溝道FET在內阻和柵極電容方面的巨大優勢，我們將專注于構建高側和低端均具有N溝道的H橋。

 

控制H橋

雙驅動IC

如果您正在使用高電壓、高PWM速度或兩者兼而有之，則可能需要考慮為H橋使用兩個單獨的驅動IC。雖然單MOSFET柵極驅動IC很棒，但由于封裝限制，高電壓和電流將超過單個IC的工作限制。如果您正在構建直流伺服控制器，并且需要對電機位置進行許多小的調整，則可能會為驅動IC運行高PWM頻率。這種頻率需要快速對MOSFET上的柵極電荷進行充電和放電，這反過來又需要大量的電流。

 

單個驅動IC

如果您正在使用較低的電壓，則使用集成電路來處理H橋的兩側變得可行，并且可以通過集成的擊穿保護節省一些空間并讓您高枕無憂。當我需要單個驅動IC時

驅動IC的實現非常簡單，只需要幾個無源器件即可實現高側柵極電壓的去耦和自舉。上面的原理圖來自石油和天然氣行業中使用的12V，100A電機控制器。

 

要考慮的規格

無論您將單柵極、雙柵極還是四柵極驅動IC用于H橋，需要考慮的基本規格都是相同的。您的主要關注點可能會放在電橋中使用的MOSFET以及與之配套的保護二極管上。但是，選擇每個部件后，您需要返回其他選定的部件，以確保系統處于最佳狀態。這里的關鍵點是MOSFET上的柵極至源極電壓與FET驅動IC輸出電壓的關系，以及保護二極管箝位電壓與MOSFET最大漏源電壓的關系。如果為H橋運行高頻PWM，則還需要考慮FET驅動IC電流與 MOSFET 的柵極電荷/輸入電容。但是，我們將非常詳細地檢查H橋中每個部件的規格，以作為您零件選擇過程的指南。

 

MOSFET規格

您可能會在數據表中看到一些相關的溫度列表，這些列表會導致其中一些規格被降級，如果不定期處理，可能會令人困惑。您通常會看到列出的 TA、TC和TJ：

TA是除PCB外，在環境溫度（通常列為25°C）下不進行任何冷卻的器件。

TC 是機箱溫度，它假設機箱通過大型散熱器和強制空氣或液體冷卻強制冷卻到此溫度。

TJ是柵極結的溫度，即封裝內的硅。如果不對IC進行去蓋，就無法對其進行測量，因此您需要使用器件的熱特性來計算這一點。

如果您沒有使用大型散熱器和主動（強制空氣或液體）冷卻，則應根據TA等級進行選擇以創建候選列表，然后分解計算器并實際計算哪種設備最適合您的特定電路。MOSFET可以繼續工作，遠遠超出您認為對于電路板上其他設備合理的工作。它們在規定的參數范圍內工作，結溫達到或超過175°C，這確實為MOSFET提供了很大的回旋余地。然而，附近電路板上的其他組件可能對長時間的高溫不滿意。以下是MOSFET的一些最重要的參數以及它們如何影響您的控制器。

 

Vdss - 漏極至源極電壓

MOSFET的電壓應該非常明顯，但是如果您過于專注于優化其他規格，您可能會意外地選擇電壓略低于您需要的電壓的器件。電壓需要至少是電機的電源電壓，但實際上應該至少高出25%，因為在快速移動時制動電機時，您會看到一個大尖峰。因此，這是一個很好的規格，一旦您選擇了保護二極管，就可以回來重新檢查。確保Vdss高于二極管的野營電壓，否則MOSFET會迅速燒毀。

 

VGS - 柵極至源電壓

一些MOSFET驅動IC將產生比其他驅動IC更高的電壓;雖然這通常不是問題，但值得牢記。例如，如果您的驅動IC產生的電壓比源電壓高10V，但MOSFET只能承受8V，則可能不會持續很長時間。同樣，某些 MOSFET 可能需要更高的驅動電壓才能達到最小 RDS（on），而您的驅動IC可能無法提供該電壓。因此，在查看MOSFET驅動IC時，應評估MOSFET VGS處的VGS和RDS（on），以確保最佳系統。

 

RDS（on） - 漏源導通電阻/內部串聯電阻

FET電阻是一個關鍵規格，因為它與集成電路中作為熱量損失的能量直接相關。如果封裝不能足夠快地散熱，集成電路可能會進入自我保護模式，或者釋放其神奇的煙霧。使用較低的RDS（on），IC周圍還可以有更小的散熱器或銅區域。無論設備的額定電流如何，熱量都是真正的限制因素。如果驅動IC周圍的區域有限，以便銅澆注充當散熱器，則需要優先考慮 RDS（on） 規范，以便驅動程序產生盡可能少的熱量。

 

內徑 - 電流消耗

除非您只是不規則地脈沖電機，或者散熱器非常大，否則漏極電流可能是比較MOSFET的最不關鍵的規格之一。與Vdss一樣，您需要確保所選設備具有足夠高的ID，以使您的電機運行，包括啟動和失速電流。ID可能不是器件的限制因素，因為能夠從結/封裝中去除足夠的熱量可能是您可以通過器件的電流的真正限制。

 

QG - 柵極充電

在本文的前面，我提到驅動IC將大量電流移動到MOSFET柵極的能力是多么重要。負責柵極電容的柵極電荷是其背后的大部分原因。每次打開閘門時，都需要提供這么多能量，否則閘門將無法打開。充電速度越快，切換柵極的速度就越快。您切換柵極的速度和頻率越高，柵極電流就越高。這些電荷非常小，但是如果每秒打開柵極一百萬次，則對柵極進行充電和放電所需的電流會大大增加。您可以在 Vishay 的深入應用筆記中詳細閱讀有關柵極電荷如何影響開關時間的信息。一般來說，在研究驅動IC時，您需要通過計算MOSFET在系統運行頻率下所需的電量來考慮它需要提供多少電流。

 

順式 - 輸入電容

與柵極電荷密切相關的是輸入電容。輸入電容是柵源電容（Cgs）和柵極漏極電容（Cgd）之和。輸入電容是從輸入端看到的MOSFET作為一個整體的電容。柵極電荷是驅動輸入電容所需的電荷量，MOSFET 才能工作。

 

保護二極管規格

MOSFET的二極管功能很好，但不是您想要用來箝位電機停止或反轉的瞬態電壓尖峰的。這些電壓可能相當高，并且會很快燒毀或降低MOSFET。根據我的經驗，無論您使用TVS二極管還是肖特基二極管，如果您想要一個耐用的電機控制器，您只需要一些東西來幫助承受電壓尖峰的沖擊。由于我是“如果值得做，那就值得過度使用”這句話的粉絲，我通常會將TVS二極管與肖特基并聯放在低側，而高側只有肖特基，以確保H橋能夠在任何拋出它的東西上幸存下來。當您在數據手冊中遇到以下二極管規格時，它們可能對您很重要。

 

TRR - 反向恢復時間

目前銷售的大多數肖特基二極管都被認為是快速恢復的。雖然速度越快越好，但在宏偉的計劃中，恢復速度不會對H橋的性能產生太大影響。當您快速啟動和停止電機時，當電機關閉時，二極管將以正向偏置導通，然后在電機再次打開時立即切換到反向偏置。二極管將在極短的間隔內以反向偏置方式傳導電流。在這個小的恢復時間內，通過二極管的電流在相反方向上會相當大，如果恢復時間太長，可能會導致擊穿。然而，市場上大多數二極管的恢復速度比MOSFET柵極可以關閉的速度快得多，這使得這不再是問題。

 

VR - 直流反向電壓

反向電壓需要高于您期望為 H 橋供電的最大電壓。如果您使用的是電池，請確?？紤]最大充電狀態而不是標稱電壓。如果二極管開始反向傳導，您可能會在事情開始燃燒之前開始看到電機中的一些奇怪行為。反向電流相對較低，但足以為您提供奇怪的結果，特別是在較低功率的H橋中。

 

VF - 直流正向電壓

該規格是肖特基二極管更關鍵的規格之一，因為它需要盡可能地最小化。如果您的正向電壓高于MOSFET的體二極管，MOSFET將開始在內部箝位電壓，而不是依靠外部二極管，并且最終可能會承受電機電壓尖峰的沖擊。較低的電壓還意味著二極管的發熱更少，當您已經處理由于MOSFET引起的電路板溫度升高時，這在高頻操作時非常方便。

 

IO - 電流整流

二極管的整流電流不需要特別大，MOSFET電流的5%-20%（較小的MOSFET百分比較大）通常就足夠了。二極管每次在箝位電壓時停止驅動電機時，都會看到短時間的高電流脈沖。如果您知道電機的電感，則可以計算此值，如果您正在構建通用的H橋，則可以計算一系列電機或只是一個大概的數字。這是一個很好的規范，可以用示波器測試您的第一個原型，以查看您的期望是否現實。這里需要注意的一點是，如果電流遠低于您的預期，則可能意味著MOSFET正在傳導電流而不是二極管，這并不好。

 

場效應管驅動IC規格

您可以購買具有各種驅動IC數量的柵極驅動IC。但是，對于駕駛H橋，您很可能會只對兩到四種駕駛員模型感興趣。單個驅動IC可能很有用，但是擁有四個單個驅動IC會占用大量的電路板空間，因此除非您有非常具體的原因，否則您可能需要雙驅動IC或四通道選項。在考慮雙驅動IC選項時，您需要確保驅動IC用于H橋，而不是一個封裝中的兩個獨立的高端驅動IC。

 

VIN - 電源電壓

驅動IC的電源電壓將為其內部電路供電，驅動低邊柵極，并產生自舉電壓。許多控制器的自舉電壓等于高壓側電壓加上電源電壓。如果您已經為H橋選擇了MOSFET，則需要確保驅動IC的最小電源電壓低于MOSFET的最大柵極電壓（VGS）。如果驅動IC的最小電源電壓高于柵極的最大值，則將很快破壞MOSFET，當它發生故障時，您的電路板可能會發生非常糟糕的事情，因為H橋上可能有數百安培的短路。

 

VBOOT - 自舉電壓

如果自舉電壓不是電源電壓，則需要確保MOSFET不會太高。檢查MOSFET上的VGS規格，以確保這不會損壞柵極。

 

VDD - 邏輯電源電壓

現代微控制器通常具有1.8v或3.3v的邏輯電平，但一些較舊的微控制器可能在5v上運行。確保驅動IC允許您直接將微控制器的輸出用于邏輯，這樣您就不需要額外的組件將信號轉換為更高的電壓。一些柵極驅動IC的邏輯閾值為4v或更高，不適用于較低電壓的微控制器。

 

IOHH - 峰值上拉電流

正如本文多次提到的那樣，使用柵極驅動IC的主要原因是能夠將大電流轉移到柵極以克服柵極電容并非?？焖俚卮蜷_柵極。一旦您了解了您正在使用的MOSFET，一些基于PWM速度的快速計算將使您了解每秒移動到柵極所需的能量，這將使您了解驅動IC需要提供給柵極的峰值電流。

 

IOLH - 峰值下拉電流

這與上拉電流基本相同，只是在您希望MOSFET停止導通時消耗柵極電容。您可以大致假設，如果您不想進行太多計算，則需要與上拉電流相同的下拉電流。如果您正在運行特別高頻的PWM，這兩個電流值可能最終成為您可以使用哪個柵極驅動IC的主要決定因素。

這些是選擇構建N溝道MOSFET H橋所需的元件的基礎知識，用于移動一些大電流或高壓電機。無論您使用的是 5 安培、12 伏電機還是 80 安培、200 伏電機，都適用相同的選擇。您的 H 橋設計將采用相同的原理圖，只是元件的額定值不同。

 

請記住，選擇組件是一個迭代過程。選擇MOSFET后，除非這是唯一可用的選項，否則在選擇柵極驅動IC后，您應該重新評估它是否仍然是理想的選擇。同樣，如果您對控制頻率的要求發生變化，您可能需要再次重新訪問組件選擇?；旧?，如果您的設計或要求有任何變化，您可能希望回顧一下組件選擇，以確保選擇仍然是最佳的。

 

似乎有許多決策需要做出，并且需要考慮許多復雜的規范。但是，請再次查看本文開頭的H橋原理圖 - 這很簡單，對吧？這里的大多數規格只是常識性選擇，確保每個組件都能處理負載所需的電流和電壓。事實證明，您只需在Octopart®上使用幾個過濾器即可輕松縮小可能組件的列表，然后從較短的列表中選擇最適合您應用程序的組件。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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